11 Jun Webb: nuevas claves sobre los pequeños puntos rojos (LRDs)

El complejo rompecabezas de los pequeños puntos rojos (LRDs), o «little red dots», se ha ido completando gradualmente desde su descubrimiento inicial por Webb en 2022. Ahora, el espectro de un punto rojo está ayudando a conectar muchas de las piezas.

Un equipo de astrónomos liderado por Vasily Kokorev, de la Universidad de Texas en Austin, identificó el afortunado objeto en cuestión: GLIMPSE-17775.

Mediante un análisis detallado de su espectro obtenido con el Webb (el espectro más profundo conseguido hasta la fecha para un pequeño punto rojo (LRD)), el equipo encontró múltiples evidencias que respaldan la interpretación de que GLIMPSE-17775 es un agujero negro supermasivo, envuelto en un denso capullo de gas parcialmente ionizado.

«Creo que parte de la comunidad científica está convergiendo hacia una única explicación: que los pequeños puntos rojos (LRDs) pueden interpretarse mediante modelos de agujeros negros envueltos en gas. Pero ninguno de los pequeños puntos rojos (LRDs) estudiados anteriormente mostraba todas las pruebas en un mismo objeto», explica Kokorev, autor principal del estudio. «Con GLIMPSE-17775 podemos poner a prueba estos modelos gracias a la extraordinaria profundidad y calidad de su espectro».

Conectando las piezas del rompecabezas de GLIMPSE-17775

Poco después de que el Webb iniciara sus operaciones científicas, descubrió un nuevo y misterioso tipo de objeto en el Universo temprano: abundantes fuentes rojizas que aparecieron unos 600 millones de años después del Big Bang.

Los científicos han propuesto diversas explicaciones para estos pequeños puntos rojos (LRDs). Entre ellas, la posibilidad de que sean agujeros negros envueltos en gas.

Una combinación de circunstancias afortunadas ha permitido obtener un espectro muy detallado. El objeto, ahora conocido como GLIMPSE-17775, quedó incluido en las observaciones de imagen y espectroscopía del Webb dentro de un proyecto destinado a buscar estrellas de Población III y galaxias muy débiles en el cúmulo de galaxias Abell S1063.

Lente gravitatoria

Este pequeño punto rojo (LRD) se encuentra más allá del cúmulo, y su brillo aparece amplificado por el fenómeno de lente gravitatoria (GLIMPSE-17775 posee un corrimiento al rojo cosmológico de 3,5, lo que significa que existía aproximadamente 1.800 millones de años después del Big Bang).

«La fuente fue descubierta dentro del programa GLIMPSE, diseñado para revelar los objetos más débiles del Universo temprano», explica Hakim Atek, del Instituto de Astrofísica de París e investigador principal del programa GLIMPSE. «Además, la amplificación producida por la lente gravitatoria permite caracterizar con mucho más detalle objetos brillantes, incluidos los pequeños puntos rojos (LRDs) como GLIMPSE-17775».

Aunque Webb obtuvo un espectro de 30 horas de observación, el efecto de la lente gravitatoria hizo que equivaliera a unas 80 horas de tiempo efectivo de telescopio.

Más de 40 líneas espectrales

La combinación de la sensibilidad infrarroja del Webb y esta “lupa natural” proporcionada por la gravedad permitió extraer una enorme cantidad de detalles. El resultado fue la detección de más de 40 líneas espectrales en esta pequeña fuente roja, constituyendo el espectro más detallado de un LRD obtenido hasta ahora.

«Cuando vimos el espectro por primera vez fue como tener todas las piezas de un rompecabezas esparcidas por el suelo», comentó Kokorev. «Fuimos recogiendo cada pieza, midiendo las líneas espectrales y combinándolas poco a poco para formar un mosaico. Algunas piezas parecían no significar nada al principio, pero después encajaban con otras y nos dimos cuenta de que había algo importante allí».

Los datos espectroscópicos del Webb contienen múltiples evidencias que respaldan la interpretación de que GLIMPSE-17775 es un agujero negro en rápido crecimiento, rodeado por un denso capullo gaseoso.

Este envoltorio gaseoso reprocesa la radiación emitida en las proximidades del agujero negro y genera las características observadas en el espectro.

Evidencias observacionales

Entre las más de 40 líneas detectadas en el espectro de GLIMPSE-17775, el equipo encontró diversos indicadores independientes que apuntan todos hacia el mismo escenario.

Por ejemplo, muchas de las líneas espectrales, como las de hidrógeno, oxígeno y helio, no encajan con un modelo simple de nube de gas en rotación.

En cambio, el mejor ajuste incluye un fenómeno de ensanchamiento conocido como dispersión electrónica, una señal característica de que una envoltura gaseosa densa y estratificada rodea la fuente.

La intensidad y las proporciones relativas de determinadas líneas, especialmente las 16 líneas de hierro que el equipo ha denominado un «bosque de hierro», junto con ciertas líneas de oxígeno, requieren una fuente de energía extremadamente potente para producirse, como un agujero negro que acreta materia a gran velocidad.

Además, los astrónomos detectaron fluorescencia y absorción de helio en el espectro, fenómenos que también sugieren la presencia de un medio denso rodeando una fuente muy energética.

El escenario del agujero negro envuelto en gas no solo explica GLIMPSE-17775. También ayuda a entender por qué la mayoría de los pequeños puntos rojos (LRDs) son débiles en rayos X, ya que el denso capullo gaseoso sería el responsable de absorber dicha radiación.

La pieza que faltaba

Una de las piezas ausentes en el rompecabezas de GLIMPSE-17775 era la parte del espectro que permitiría observar lo que se conoce como ruptura de Balmer (Balmer break), una disminución pronunciada de la emisión luminosa que constituye una característica distintiva de los pequeños puntos rojos (LRDs).

Para obtener una visión más completa, el equipo incorporó datos complementarios procedentes de dos programas de observación realizados con el telescopio espacial Hubble: Frontier Fields y BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

La combinación de los datos de Webb y Hubble permitió explicar por qué la ruptura de Balmer es más débil de lo habitual en este objeto: GLIMPSE-17775 está rodeado por una enorme galaxia anfitriona.

Aunque hasta ahora no se habían observado galaxias anfitrionas de semejante tamaño asociadas a pequeños puntos rojos (LRDs), esta característica sigue siendo compatible con el modelo del capullo gaseoso denso.

De hecho, el modelo atribuye el exceso de luz azul a las estrellas presentes en la galaxia anfitriona.

Cuando Webb descubrió por primera vez los pequeños puntos rojos (LRDs), algunos investigadores pensaron que estos objetos podían haber «roto la cosmología», al resultar difícil explicar cómo las galaxias habían crecido tan rápidamente en el Universo temprano para producir tanta luz estelar.

Sin embargo, el equipo considera que GLIMPSE-17775 encaja perfectamente dentro del marco actual de la evolución cósmica. No es necesario asumir masas extremadamente elevadas para los agujeros negros para explicar las amplias líneas de emisión resultantes.

«Todo encaja, nada está roto, y creo que eso hace aún más fascinante el rompecabezas que representa nuestro Universo», concluye Kokorev. «De cara al futuro, estoy deseando profundizar más y comprender qué alimenta realmente los motores centrales de los pequeños puntos rojos (LRDs). Aunque pensamos que se trata de agujeros negros, existen otras teorías interesantes que también están siendo propuestas. Quizá dentro de uno o dos años tengamos la respuesta definitiva sobre qué impulsa estas fuentes».

Fuente: Webb finds strongest evidence yet for «black hole stars”